河南省不同生態區小麥-玉米兩熟制農田碳足跡分析

李春喜，駱婷婷，閆廣軒，許雙，宗潔靜，邵云*

1. 河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉 453007；2. 黃淮水環境污染與防治教育部重點實驗室/河南師范大學環境學院，河南 新鄉 453007

應對氣候危機已經成為全球各國共同努力的目標。農業作為溫室氣體的最大的人為源，每年由農業活動所造成的溫室氣體排放占全球溫室氣體排放的13.5%（Montzka et al.，2011），其中CO2、CH4和N2O是最主要的3種溫室氣體（王玉英等，2018）。我國是溫室氣體排放第二大國，由各種農業活動造成的碳排放對全球環境變化有不可忽視的影響。因此減少農業生產造成的溫室氣體排放，進行低碳農業生產，對應對氣候變暖的挑戰至關重要。

碳足跡可以用于明確整個生產過程中各部分產生溫室氣體的情況，以便采取針對性的措施來改善生產行為。碳足跡這一概念源于“生態足跡”，其定義為某種活動或者某種產品生命周期的過程中，引起的直接或者間接的CO2排放量總和（武寧等，2017）。實質上是以 CO2為基礎與其他溫室氣體進行碳當量的轉換來衡量全球變暖潛勢（方愷，2015）。不同作物在生產過程中其灌溉，肥料用量，氣候，燃料消耗有所不同，并且單位面積的產量和收獲技術也有所差異，因此在農業生產過程中溫室氣體排放量因作物而異。（Alam et.，2019）。目前在農業領域，碳足跡已經成為評估農業生產和生態環境有力的工具之一（王鈺喬等，2015）。如俞祥群等（2019）估算了減氮施肥對春玉米-晚稻（Oryza sativaL.）生產系統碳足跡的影響；鄒曉霞等（2018）采用生命周期評估的方法核算了山東小麥-花生（Arachis hypogaeaL.）種植體系的碳足跡；王占彪等（2015）分析了華北平原作物生產碳足跡的動態分布及構成。但是大多研究關注某種種植體系在單個區域中的碳排放構成，且作物生產過程中的溫室氣體排放的數據主要是在前人研究結果基礎上進行估算得到，而沒有結合實際溫室氣體排放情況。

河南省作為我國的糧食主產區，其農業生產在我國具有重要的地位，小麥-玉米是其中主要的種植模式（張志高等，2018）。從2004—2017年河南省糧食生產已實現 14年連增，而優質豐產的背后也存在一些問題。在過去的幾十年中，為了維持作物高產，投入了大量的農藥和化肥，使得環境問題突出，農田生態壓力增大。本文以河南省為研究對象，選取4個不同生態類型區，基于田間調查結果以及實驗數據，利用農業生態碳足跡理論，評估河南省冬小麥-夏玉米兩熟制農田碳足跡構成，通過不同地區碳足跡的定量計算和定性分析，探究河南省農田碳足跡的構成特點和時空分布的差異，以期為河南省低碳農業發展提供一些理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和設計

河南省是我國的主要糧食大省，是典型的大陸性季風氣候，年平均溫度12.8—15.5 ℃。溫暖的氣候條件適宜一年兩熟種植，小麥玉米輪作是其中主要的種植系統。河南省處于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，南屬亞熱帶，北屬暖溫帶，四季分明，南北的氣候特征具有明顯差異。年降水量為500—1300 mm，降水在季節、年際、空間上分布很不均勻，主要集中在6—9月，在地理位置上，降水量從南到北有所減少。根據氣候條件和耕作習慣，將河南省分為不同的生態區，即豫南雨養區、豫中補灌區、豫北灌溉區和豫西旱作區。本試驗根據地理位置和農業條件的差異，選取豫南、豫中、豫北及豫西4個具有代表性的地點，分別位于駐馬店市西平縣（豫南）、許昌市許昌縣（豫中）、鶴壁市浚縣（豫北）以及洛陽市孟津縣（豫西）。具體位置如圖1。

所有試驗點均具有示范區和農民常規耕作區，且常規耕作區位于示范田附近。示范區是包括品種選育、水肥一體化技術、綠色防控技術等多項技術集成示范田，常規區在當地隨機 10戶作為調查對象，并就近選擇一戶作為采樣點。示范區和常規區的面積分別為 0.13—0.67 hm?2，示范區的面積在6.67—26.67 hm?2。各示范區和常規區小麥-玉米周年具體的生產投入如表1。

1.2 數據收集

圖1 試驗地點的地理位置Fig. 1 Geographical location of the experimental site

表1 不同生態區各項生產投入Table 1 Different input items in the four ecological regions

本試驗于 2018—2019年進行，試驗數據的收集包括大田試驗數據和調查數據兩個部分。大田試驗分別在示范田塊（示范區）和臨近的農民田塊（常規區）設置采樣點，采用靜態箱-氣相色譜法收集溫室氣體。取樣箱由泡沫制成，長、寬、高分別為50、30、50 cm，外附有鋁箔紙用于反射光線，防止陽光直射引起溫度變化。氣體采樣在08:00—10:00進行，關閉腔室后的0、8、16、24、32 min收集氣體樣本。重復 3次。然后將氣體樣品注入德霖鋁箔采樣袋中，并立即運送到實驗室進行分析。使用配備有火焰離子化檢測器（FID）和電子捕獲檢測器（ECD）的氣相色譜儀（Agilent 7890A，美國）同時分析氣體樣品中的CO2，CH4和N2O濃度。分析的條件與文獻（李春喜等，2019）的工作中描述的條件保持一致。由0、8、16、24、32 min獲取的5個連續樣本中溫室氣體濃度的累積速率確定氣體通量。在整個小麥-玉米周年生長過程中，每月進行一次采樣，有重大農事活動進行時增加采樣頻率，如播種、收獲前后采樣，施肥后連續采樣一周，灌溉后連續采樣3 d。采用加權平均法計算每月的累計排放通量。

調查數據通過當地農業局以及實地走訪調查獲取，收集的信息包括冬小麥和夏玉米的產量、種植面積、施肥量、灌溉時間與灌溉量，以及各項農業投入，包括種子、農藥、機械以及人力投入等費用。

1.3 數據處理

1.3.1 碳足跡邊界和間接排放計算

碳足跡計算的邊界為從小麥種植開始到下一季小麥種植之前結束，時間為1年。包括冬小麥碳足跡和夏玉米碳足跡的總和。碳足跡的測算內容由直接碳足跡和間接碳足跡兩部分構成，直接碳排放即農田溫室氣體CH4和N2O的排放，間接排放指的是由種子、農藥、化肥等農資投入引起的碳排放。其中間接排放的計算公式如下：

CF 為農業碳足跡（kg·hm?2），n表示從播種到收獲期間消耗的各種農業生產資料（農藥、化肥、種子等），m表示第i種農資的消耗量（kg），β表示第i種農資的碳排放參數（kg·kg?1），具體參數見表2。

1.3.2 GWP的計算

由于CH4和N2O兩種氣體的增溫效應不同，為了評價各種溫室氣體對氣候變化的共同影響，所以統一折算成相同效應的CO2的質量，用全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）表示二者的共同作用（張衛紅等，2018）。以100年影響尺度計算，1 kg CH4的增溫效應是1 kg CO2的25倍，1 kg N2O的增溫效應是1 kg CO2的298倍（姚凡云等，2019），GWP的計算方法如下：

式中：GWP為溫室氣體綜合增溫潛勢（kg·hm?2）fCH4為土壤 CH4排放量（kg·hm?2），fN2O（kg·hm?2）為土壤 N2O 排放量fN2O（kg·hm?2）。

表2 不同投入項目的碳排放系數Table 2 Carbon emission indexes of different input items

1.4 數據處理

文中所有數據由Mircosoft Office Excel 2016進行處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同生態區溫室氣體排放及其GWP

2.1.1 不同生態區CH4的排放差異

示范區和常規區的CH4每月累計排放量動態變化見圖2?？傮w上看，不同生態區的麥玉兩熟制農田均作為土壤CH4的吸收匯。豫南、豫中、豫北和豫西小麥-玉米輪作農田土壤CH4的月累計排放量變化分別為?36.21— ?6.5、?52.60— ?7.09、?41.57—?7.98、?43.82— ?8.59 mg·m?2·mon?1。豫南、豫中、豫北和豫西示范區總吸收量分別為240.64、281.25、306.03、325.10 mg·m?2，常規區排放量分別 203.53、240.76、270.50、332.76 mg·m?2，4 個生態區對于 CH4的吸收能力具有明顯的空間差異，其中豫西地區CH4的吸收量最大，豫南最小，豫中和豫北地區的吸收量相當。從季節上看，相比于玉米季，小麥季CH4的月均累計吸收量處于較低的水平，這可能與溫度和降水的增加有關，但由于生長期不同，小麥季總的吸收量大于玉米季總的吸收量。與常規區相比，豫南、豫中和豫北示范區的對 CH4的總吸收量分別增加15.42%，14.39%和11.61%，豫西減少2.36%。

2.1.2 不同生態區N2O的排放差異

圖2 4個生態區農田土壤CH4月均累計排放量Fig. 2 Cumulative monthly cumulative emissions of CH4 from farmland soils in the four ecological regions

圖3 4個生態區農田土壤N2O月均累計排放量Fig. 3 Cumulative monthly cumulative emissions of N2O from farmland soils in the four ecological regions

4個不同示范區和常規耕作區的N2O每月累計排放量動態變化見圖 3。豫南、豫中、豫北和豫西土壤N2O的月累計排放量為3.58—48.22、4.84—57.56、4.02—72.55、7.95—45.80 mg·m?2·mon?1。豫南、豫中、豫北和豫西示范區總吸收量分別為223.84、259.79、262.52、231.86 mg·m?2，常規區排放量分別 261.91、296.12、270.64、252.75 mg·m?2，N2O的總排放量表現為豫北、豫南和豫中的排放量相當，豫西地區最低。與其他地區相比，豫西地區在3月間并未出現明顯的峰值，調查發現，這可能與該地區在小麥季不進行或少量追肥有關。從季節上看，進入玉米季后N2O的排放量有所增加，這可能是由于夏季溫度和降水都有所增加，適合土壤中反硝微生物的生存，促進反硝化反應的進行，溫度的增加也加速了N2O從土壤中釋放速率。N2O排放的主要峰值出現在10月，3月和7月，原因是在這期間均進行了施肥。示范區和常規區具有相似的排放趨勢，但相對于常規區，豫南、豫中、豫北和豫西示范區N2O的排放分別降低了14.54%、12.27%、3.00%和8.27%。

2.1.3 不同生態區GWP差異

圖4顯示的是不同生態區之間的GWP的構成。各地區之間GWP的分布具有一定的差異，其中豫中地區的GWP最大，達800.57 kg·hm?2，而豫西地區 GWP最低為 580.41 kg·hm?2，豫南和豫北地區GWP相當。對比常規耕作，各示范區的GWP均有不同程度的降低，其中豫中和豫西地區減排較為明顯，GWP分別降低15.24%和9.32%。而豫南和豫北分別降低4.79%和5.08%。

2.2 不同生態區碳足跡構成

2.2.1 不同生態區碳足跡組成成分

表3綜合了小麥和玉米兩季作物的總投入，從結果可以看出，農田碳排放的主要來源是農田灌溉和化肥的投入，占總碳排放的57.86%—73.01%。其次是土壤溫室氣體的直接排放以及農業機械柴油的使用。除草劑和殺蟲劑投入所導致的碳排放相對較低。4個生態區的碳排放表現為豫北>豫西>豫中>豫南，并且常規區大于示范區。

2.2.2 小麥-玉米碳足跡

由表4可知，在小麥季，示范田的產量比常規田的產量高出9.7%—16.5%，單位產量碳足跡降低15.41%—24.09%，其中豫南和豫北產量相對較高。與常規區相比，示范區玉米的單位碳足跡降低了8.22%—34.04%。雖然豫北的玉米產量相對較高，但由于豫北地區玉米前期較為干旱，農業灌溉量大大增加，而灌溉用電又是碳足跡的主要構成之一，因此碳足跡也相對較高。對比小麥季和玉米季的單位產量碳足跡，除豫北地區外，其他地區小麥季的碳足跡比玉米季平均高出10.75%—42.15%。從麥玉周年的角度來看，豫北和豫西的單位產量碳足跡較高，這可能是由于豫北在生產過程中農業資源投入較多，而產量較低則是豫西地區單位產量碳足跡較高的原因。

圖4 不同生態區GWPFig. 4 GWP in different ecological areas

表3 各生態區生產過程中項各投入的碳排放Table 3 Carbon emissions of each input in the production process of each ecological zone

表4 小麥、玉米產量和單位產量的碳足跡Table 4 Carbon footprint of wheat and maize yield and unit yield

3 討論

大量的研究表明，農業不僅僅作為溫室氣體排放的源頭，同時，也可能是溫室氣體的匯，土壤和植被都具有強大的碳匯功能。旱地種植過程中，即使不同生態區氣候有所差異，但通常都作為CH4的匯。She et al.（2017）的研究結果表明，玉米是我國華北地區主要的固碳作物。因此如何合理的利用土壤和植被的碳匯功能值得我們探討，已有研究表明，可以通過優化管理措施來固定碳，包括少免耕、秸稈覆蓋、生物固氮等（王小彬等，2011）。在我們的實地調查中發現，很多地方會在夏季減少耕作，同時進行秸稈還田，這些措施不僅減少了農民生產過程中的成本，同時也減少了碳排放。本研究發現不同生態區的排放量雖然有所不同，但排放規律具有相似的趨勢。其中施肥是造成的土壤中N2O排放的主要原因之一，氮肥的施入增加了反應底物的濃度，促進土壤中硝化和反硝化的進程，導致N2O的大量排放（朱龍飛等，2019）。同時N2O的排放還受到溫度、降水、土壤耕作措施等多種因素的影響（Xu et al.，2017）。

本研究中，碳足跡是由農藥，灌溉電力，機械耗油，化肥，種子和溫室氣體的直接排放所構成。其中電力和化肥是碳足跡的主要來源，目前大部分的農田灌溉還是以大水漫灌方式為主，這種粗放方式導致了大量水資源的浪費，同時也增加了農業碳排放，因此優化水管理不僅可以提高水分利用率，減少農業成本，也能夠降低碳排放。化肥的施用是碳足跡的主要來源，也是節能減排的關鍵點。肥料的施用是農事活動中重要的一環，化肥所導致的碳排放占總投入的57%（Cheng et al.，2011）。調查中發現農民在種植的過程中仍然有過量施肥的現象，這給土壤和環境都造成了很大的負荷，需要控制、減少化肥的使用。同時施肥和灌溉也是影響溫室氣體排放的主要因素（Tan et al.，2017），合理的施肥灌溉也可以減少農田溫室氣體的排放，進一步降低農田碳足跡。

朱永昶等（2017）的研究表明，山東省高密地區小麥玉米種植系統的碳足跡分別為0.69 kg·kg?1和0.40 kg·kg?1，在 She et al.（2017）的研究中小麥玉米的碳足跡分別為 0.4 kg·kg?1和 0.25 kg·kg?1。本文研究的小麥的碳足跡范圍在 0.20—0.33 kg·kg?1，玉米的碳足跡為 0.16—0.29 kg·kg?1，這與前人研究的結果有所差異。造成結果差異的原因可能是在數據收集過程中的來源不同，以及碳排放參數的選擇有所不同。除豫北地區外，其他地區小麥種植過程中的單位產量碳足跡高于玉米。這可能是由于小麥的生長周期長，累計直接排放量更多，也可能是由于玉米的產量更高。除此之外，玉米種植期間生產資料投入較少，大部分地區在玉米種植過程中會選擇免耕或少耕，能夠降低機械投入所造成的碳足跡。

相比于示范區，常規區所使用的農藥（包括殺蟲劑和除草劑）更多，雖然在調查過程中發現有很多農民已經具有減少農藥使用量的意識，但是在使用的過程中往往僅根據自身的經驗進行噴灑，并且缺乏提前預防和針對性的使用農藥的意識，因此在使用的過程中具有一定的盲目性，造成農藥使用量的增加。在郭霞（2008）的研究中發現農藥施用技術和農業知識的傳播具有“鄰近效應”和“規模等級效應”，示范區的建立不僅僅是降低農業碳足跡，而且起到了一定的示范效應，能夠影響到周圍農戶們的操作習慣。

農民常規種植的過程中，通常種植的面積在0.13—0.67 hm?2，示范區的面積在 6.67—26.67 hm?2。相比與示范區，農民常規耕作不僅種植的成本增加，相對的碳排放也有所增加。陳中督等（2019）的研究表明，隨著種植規模的增加，稻麥生產系統的碳足跡出現逐漸降低的趨勢。Yan et al.（2015）研究中也表明相對于小型農場，大型農場小麥和玉米的碳足跡均顯著減少22%—28%，這表明規模化種植有助于減少生產過程中的碳排放，因此，通過擴大合作社規模，或者整合小戶建立新型經營主體，大規模統一種植可以有效減少農田碳足跡。在調查的過程中我們還發現，示范區的建立具有一定的輻射范圍，對周圍村鎮具有一定的影響，農民在種植的過程中會參考借鑒示范區的種植品種、施肥、灌溉的時間和頻率。因此示范區的建立不僅本身有低碳減排的作用，同時在一定空間范圍內具有很好的示范效應。

4 結論

（1）河南省小麥-玉米輪作農田作為 CH4的吸收匯，N2O的排放源。玉米季的CH4吸收量和N2O的排放量大于小麥季。GWP表現為豫中>豫北>豫南>豫西。

（2）在本試驗中，河南省碳足跡呈現出中北高，西南低的分布格局。碳足跡的主要來源是農業灌溉和化肥投入，其次是土壤的直接排放和農業機械的使用。

（3）在本研究中，小麥的單位產量碳足跡為0.20—0.33 kg·kg?1，玉米的單位產量碳足跡為0.16—0.29 kg·kg?1。

對比各生態區的溫室氣體排放和碳足跡，優化灌溉模式，適時適量施肥是降低農田碳排放的主要方式。同時針對不同生態區的特點應當制定不同的減排措施。豫南雨養區夏季雨水充沛，但病蟲害頻發，控制農藥使用，提倡生物防治是豫南地區的重要減排方法之一。豫中補灌區和豫北灌溉區地勢相對較為平坦，灌溉條件便利，優化灌溉，合理利用水資源是豫中和豫北降低碳排放的關鍵點。而豫西旱作區由于灌溉和降水條件有限，品種選育上應選擇分蘗強，根系發達，耐旱強的作物品種，提高產量降低單位產量碳足跡。

然而對于如何有效降低河南省農業生產中的碳排放還需進一步的探討。